单泵驱动双液压马达系统的仿真分析

20T5年9月机床与液压Sep.2015第43卷第T7期MACHINETOOL3HYDRAULICSYol.43No.17DOI：10.3969/j.issn.1001-3881.2015.17.039单泵驱动双液压马达系统的仿真分析李志刚弓海霞2!张印桐屈慧刚2!姜瑛王立权2(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461$2.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：液压系统实际工作时会用一个液压菜同时给两个液压马达供油，如果两个液压马达工作时所受到的负载力不同，即系统压力不同时，液压油液会优先流经压力较小的马达，造成马达转速不能满足设计要求。为了解决这一问题，分别在两个马达支路上各安装一个调速阀，调速阀由定差减压阀和节流阀串联组成，按照仿真数值调整调速阀参数从而解决由于节流口的压力变化而引起的流量变化，即实现负载力的变化不影响调速阀的工作性能。最后通过仿真软件AMESi对该液压系统进行了建模仿真分析，验证液压系统参数变化与液压回路设计的合理性。关键词：单菜液压系统；液压马达；调速阀；仿真中图分类号：TH46文献标志码：A文章编号！T00卜388T(20T5)T7-T57-3SimulationAnalysisofSinglePumpDrivingDoubleHydraulicMotorsSystemLIZhi/an/1，GONGHaixia2，ZHANGYinto/1，QUHui/an/2，JIANGYin/1，WANGLiquan2(1.OffslioreOilEngineerin/Co.，Ltd.，Tianjin300461，China;2.SchoolofMechatronicsEn/ineerin/，HarbinEn/ineerin/University，HarbinHeilon/ian/150001，China)Abstract：Onsomehydraulicpressuresystemapplicationsinpractice，sin/lehydraulicpumpdrivesdoublemotorsattliesametime.Ifloadtorqueofthetwohydraulicmotorsinworkin/wasdifferent，thatwasatthetimeofdifferentsystempressure，hydraulicoilwouldflowtothemotorwiththelowerpressureinpriority，causin/rotationalspeedunabletomeetdesi/nrequirement.Inordertosolvethisproblem，ahydraulicproportionalflowcontrolvalvewasinstalledoneachbranchcircuitofthedoublemotors.Theflowcontrolvvlvewascomposedofconnectin/inseriesofthrottlevvlveandreliefvalveoffixeddifference.Theparametersoftheflowcontrolvvlvewereadjustedaccordin/tosimulationvaluessoastosolveflowchan/escausedbychangin/inpressureatthrottlin//ate.Namelytheworkin/performanceoffowcontrolvalvewasnotaffectedbychan/esattheloadtorque.FinallyasimulationmodelofthehydraulicsystemisestablishedandanalyzedwiththeAMESimsimulationsoftwaretoverifyparameterschan/esofthehydraulicsystemandrea­sonablenessofdesi/nofthehydrauliccircuit.Keywords：Hydraulicpressuresystemwithsin/lepump;Hydraulicmotors；Flowcontrolvalve；Simulation〇前言现代液压技术的发展是国家工业竞争力的重要指标之一，它在海洋机械、航空航天、农业机械、工业领域等方面得到广泛应用[1又液压动力与电传动相比，具有功率重量比大、结构简单、传动平稳等优点[4]。液压源实际工作时，有时会碰到一个液压栗同时给两个液压马达供油的工况。如果两个液压马达负载相同，则液压马达分别转动实现预定功能，如果两个液压马达所受负载力不同，则油液会优先流经压力较小的液压马达，此时马达转速不满足设计要求，文中研究了-种用调速阀織该问题的方法，最终使其能够实现预定功能。1调速阀分析调速阀由定差减压阀和节流阀串联组成，调速阀的进油口压力@经减压阀后变为@，然后经过节流阀油液压力变为@。节流阀的进出油口与定差减压阀相通，即作用在定差减压阀阀芯两端的压力差等于节流阀进出油口的压力差，作用在阀芯上的弹簧力!与阀芯的作用面积）的比值即等于压力差。当定差减压阀阀芯受力平衡时，即Ap=@-@=!/d为定值，使节流阀的流量不受进出油口压力变化的影响，通过节流阀的流量大小与阀开口面积成正比。在调定节流阀的阀口大小后，如果系统由于负载变化而引起调速阀进油口压力@和出油口压力@变化，通过定差减压阀的压力补偿，使节流阀进出油口压力差不变，因此保证通过调速阀的流量稳定不变。下面分析调速阀的静态特性，首先来分析油液流经定差减压阀阀口时的流量，用P来表示，则：收稿日期！20T4-07-2T基金项目：国家十二五重大专项资助项目（20TTZX05027-04-005)作者简介：李志刚（#965$)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为水下作业装备技术等。E-irnil:lizhi/[e-mail]。•158•机床与液压第43卷Pi槡^(@-2)⑴式中！Ki为定差减压阀阀口流量系数；)?()为定差减压阀阀口面积；@为定差减压阀进油口压力；@为定差减压阀出油口压力，即节流阀进油口压力。定差减压阀阀芯受力平衡方程为！@)-@)-:(0+g--)+2'd1N;cos〇(@--2)二0式中！）为定差减压阀阀芯受力面积；@为节流阀出油口压力；:为定差减压阀的弹簧刚度；4为定差减压阀的预开口长度；0为定差减压阀的弹簧预压缩量；N为定差减压阀阀口的面积梯度；为定差减压阀的阀口开度；〇为定差减压阀的阀口射流角。流经节流阀阀口的流量P为：P='AW槡^(@_@#(2)式中：'?为节流阀阀口流量系数；)(R)为节流阀阀口面积。如果不计调速阀工作过程中的泄漏，根据流体连续性原理，则流经调速阀的流量为p=p=p。联合以上方程，在理论上能够求得调速阀的压力流量特性，但是由于高次方程求解困难，因此由前面式子来求得节流阀进出油口压力差的表达式来间接分析调速阀的压力流量特性。@-3=1[:(0+4-)-2'iNosa(@-@)](3)由此可知定差减压阀在检测到外界压力变化后，其阀芯在弹簧作用力下开始移动，进行系统压力补偿以保证节流阀进出油口压力差@-3不变。定差减压阀在压力补偿时，由于其阀口开度变化的同时，除了弹簧力：（。+4-)改变外还会引起液动力2'diNosa(@-@)的变化，由此可见并不是完全的恒定值，其变化量只是较小而已。为了减小节流阀进出油口压力差的波动，主要可以采取以下3种方式，-是增大定差减压阀的弹簧预压缩量，二是增大定差减压阀的阀芯受力面积，二是米用液动力补偿结构来减小液动力对的影响。通常调速阀在负载压力变化时所引起的流量变化不超过±5k，即变化相对较小，由压差变化引起的流量变化在该机具的可接受范围内[5]。比例调速阀的原理框图如图1所示，图中实线表示利用弹簧来实现的位移-力反馈，虚线表示用位移传感器的直接位置反馈。该图为直接控制式的比例调速阀原理，由于电/机械转换器推力有限，因此直接控制式的比例调速阀通常用于10mm以下通径，大通径的比例调速阀通常采用先导控制的形式。输入信号厂比例放大器I电/机械转换器调速阀位篇知處)反1Q图1直接控制式比例调速阀原理2液压系统建模仿真当液压系统采用单泵驱动双液压马达进行工作时，利用比例调速阀来控制各液压马达的流量是一种抗支路干扰的方法。我们对该液压系统采用amesc软件进行仿真分析。分析该液压系统的意义在于，系统在工作时，是由一个液压泵同时给两个液压马达供油，由于两个液压马达工作时所受到的扭矩不同，即两个马达所受的负载力不同，目此系、统压力不同。由一个液压泵供油时，油液优先流经压力较小的马达，马达转速不能满足设计要求。为了解决这一问题，分别在两个液压马达系统各安装一个调速阀，调速阀由定差减压阀和节流阀串联组成，从而解决了节流阀由于进出油口压力变化而引起的流量变化，即负载力的变化不影响调速阀的工作性能。对于中低压液压系统，通常选定调速阀内的定差减压阀的压力差为0.5MPa。考虑到泄漏等情况，液压泵供给系统的流量略大于两个液压马达所需流量总和。这样在理论上即能够实现-台液压泵同时带动两个液压马达工作，并且两个马达之间互不影响。下面通过对液压系统的仿真分析，验证上述方法的可靠性。首先利用HydraulicComponentDesi/n设计库来建立比例调速阀的模型，如图2所示。在AMESim草图模式的环境下进行液压系统建模，系统建模时主要用到4个应用库，即Hydraulic应用库、Mechanical应用库、Si/nal/Control应用库和HydraulicComponentDesi/n设计库。Hydraulic应用库第17期李志刚等！单泵驱动双液压马达系统的仿真分析•159•包含了通用的液压元件模型，Mechanical应用库在这里主要是提供电机和负载扭矩，Si/nal/Control应用库用于为该液压系统提供控制信号，根据北京华德2FRE10-40B比例调速阀的结构利用HydraulicCompo­nentDesi/n设计库来建立比例调速阀的模型。完成草图后，进入子模型模式，为该模型的各个元件选择合适的子模型，然后进入参数模式，为液压回路设置参数，最后进入仿真模式进行系统的仿真分析[6-]。图3为液压系统的模型，其中的比例调速阀模型如图2所示。图3液压系统模型完成系统的建模并且选择了合适的子模型后，需要在参数模式下设置模型参数。一个液压马达的转速均为750r/min，排量为46mL/r，另一个液压马达的转速为500r/min，排量为12.5mL/r。其中一个液压马达所受到的扭矩约为17.•m，另一个液压马达所受到的扭矩小于1N•m。电机转速为1450r/min，液压泵排量取29mLr。表1为该模型的主要参数设置。表1模型主要参数设置元件参数数值密度/(k/•cm_3)860体积弹性模量/MPa1700液压油绝对黏度/(cp)51空气含量/%0.1工作温度/°c40A液压马达排量/(mL•r-)46转速/(r•min_1)750B液压马达排量/(mL•r-)12.5转速/(/•min-)500额定电流/mA40电磁换向阀额定频率/Hz50流量/(L•min-)100溢流阀开启压力/MPa7电机转速/(r•min-)1450液压泵排量/(mL•r-)29最高转速/(r•min-)1450完成参数的设置后，对液压系统进行仿真分析。通过对两个液压马达流量和转速的模拟，验证利用一个液压泵给两个受不同负载力的马达供油时，在采用比例调速阀的情况下，能否实现马达互不干扰各自完成系统的预定功能。图4和图5分别为两个液压马达的流量对比曲线和转速对比曲线。可知，刀具进刀液压系统在工作时候，两个液压马达能够独立工作，其中A液压马达流量约为36.37L/min，转速约为789r/min，B液压马达流量约为5.68L/min